楊玉山，沈華杰，王 憲，王云龍，邱 堅

（西南林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明650224）

所謂的“木材彎曲”是一門工藝。它是在木材軟化之后對其施加合適的外力，再通過模具使其變形成所要求的曲線形狀的過程[1]。用這種方法制成的彎曲木制品不僅因其連續(xù)完整的曲線造型備受大眾歡迎，而且通過彎曲加工工藝能有效利用木材的特殊特性。從木材本身結(jié)構(gòu)特性來看，由于木材的具有黏彈性，木材能被彎曲成各種各樣的形狀。因此，木材彎曲技術(shù)成了利用木材和節(jié)約木材的一種可持續(xù)發(fā)展的方法，它結(jié)合了熱處理和機(jī)械處理的過程，改變了木材的黏流性，使木材在彎曲力矩作用下成特定的曲線形狀[1-4]。

目前，國內(nèi)外研究學(xué)者采用物理和化學(xué)兩種軟化方法進(jìn)行處理木材，研究了水煮軟化改變木材的彎曲力學(xué)性能，木材的形變機(jī)理[5-11]；微波軟化中，木材表現(xiàn)出高塑性，產(chǎn)生較大的蠕變，即對木材進(jìn)行水熱—微波處理聯(lián)合將獲得最佳的彎曲效果，與此同時微波處理時間、微波處理功率及試件初含水率等問題也影響木材的彎曲性能[12-15]；浸水與尿素浸泡木材的軟化彎曲性能差異很大[2,16,17]。而木材彎曲改變了傳統(tǒng)的彎曲木鋸彎方法，既達(dá)到彎曲審美效果和實踐應(yīng)用，又符合當(dāng)下的可持續(xù)發(fā)展要求。但在木材模壓彎曲過程中產(chǎn)生的彎曲變形是不穩(wěn)定的，致使木材的細(xì)觀結(jié)構(gòu)極易發(fā)生變形、皺曲、隆起、破裂、塌陷或中性層分離[7,8,14,18-21]等缺陷。即木材受到一定外力作用后，其細(xì)胞壁界面會產(chǎn)生很多微小的裂紋，當(dāng)受力繼續(xù)增大或持續(xù)受力，之前的裂紋就會繼續(xù)延伸，直至完全被破壞。

迄今，國內(nèi)外研究學(xué)者對木材彎曲工藝進(jìn)行諸多嘗試，已經(jīng)詳細(xì)地研究了木材在不同工藝條件下的彎曲性能變化。但多數(shù)的研究都僅限于強(qiáng)度、剛度等宏觀力學(xué)特征變化，而對引起宏觀結(jié)構(gòu)破壞的微觀構(gòu)造變化研究還不夠。目前，李大綱等通過掃描電子顯微鏡觀察了水曲柳和蒙古櫟彎曲木細(xì)胞壁超微結(jié)構(gòu)特征及細(xì)觀損傷機(jī)理[18,19]；Yuji Imamura對針葉材進(jìn)行微波加熱彎曲后利用掃描電子顯微鏡觀察管飽壁徑切面細(xì)胞壁的皺曲與隆起，認(rèn)為是彎曲加工造成的[22]。在實木彎曲過程中，筆者注意到木材在受拉側(cè)極易發(fā)生撕裂、受壓側(cè)極易發(fā)生皺曲隆起，但對這種引起宏觀破壞的細(xì)觀結(jié)構(gòu)現(xiàn)象的研究甚少。本文旨在研究汽蒸-模壓彎曲楊木細(xì)胞壁顯微結(jié)構(gòu)的黏滯屈曲和斷裂情況，分析了木材彎曲缺陷的破壞機(jī)理，旨在控制木材彎曲過程中細(xì)觀損傷的發(fā)生與延伸，為彎曲木工藝提供理論依據(jù)，合理利用木材提供基礎(chǔ)。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

試材為楊木（Populus sp.），購自云南昆明西南木材市場，為減少試件本身對彎曲質(zhì)量帶來的影響，均選用無腐朽、節(jié)子、裂紋等缺陷的楊木心材，加工成規(guī)格為1000 mm（長）×40 mm（寬）×20 mm（高）的試件進(jìn)行彎曲工藝，各個平面加工平整、光潔。氣干密度為0.43g/mm3，紋理均小于15°。

1.2 楊木軟化與彎曲處理

將制備好的試件在水中浸泡至含水率約為40%，然后用保鮮膜包覆，放入立式壓力蒸汽滅菌器（BOXUN）中進(jìn)行蒸汽處理，設(shè)定溫度為 110°C，處理時間6。利用鋼帶進(jìn)行三點受力彎曲，將軟化好的木材加壓彎曲成曲率為300mm的C形彎曲零部件，如圖1所示；然后采用MZ08S-1型微波真空實驗爐進(jìn)行1000W微波照射干燥定型。

圖1 三點受力彎曲示意圖Figure 1 Schematic illustration of three-point bending

1.3 物理力學(xué)性能

木材的物理性力學(xué)性能的測量依據(jù)GB1928-2009，GB1929-2009，GB1931-2009，GB1932-2009，GB1933-2009，GB1934.1-2009，GB1934.2-2009，GB1936.1-2009，GB1936.2-2009進(jìn)行，分別測定楊木的密度、干縮系數(shù)、最大載荷、最大變形量、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量等物理力學(xué)性能指標(biāo)，每組試件均為30個。

1.4 木材解剖

制作樣品切片：未彎曲楊木和彎曲后楊木參照圖2進(jìn)行試樣的取樣，在彎曲木受拉側(cè)和受壓測部位進(jìn)行取樣。

圖2 木材解剖試樣的取樣示意圖Figure 2 Schematic illustration of sampling method for wood anatomical specimen

按取樣方式在楊木素材和彎曲楊木上各取約10 mm*10 mm*5 mm，并固定在Leica SM 200R滑走切片機(jī)上制備橫切面、徑切面和弦切面切片，厚為12-20 μm，為減少刀片帶來的誤差，制樣時不定時更換刀片；把得到的合格切片放入50%翻紅和固綠中染色，以提供細(xì)胞壁之間的良好對比；然后依次用50%、70%、90%、100%、100%的乙醇水溶液進(jìn)行脫水，在放入二甲苯中進(jìn)行透明干凈處理；封片，貼標(biāo)簽；干燥后采用尼康生物數(shù)碼顯微鏡圖像分析儀（CELIPSE 80i，Nikon，Japan）分析，同時再用 TM-3000臺式掃描電鏡進(jìn)行進(jìn)一步觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 物理力學(xué)性能

木材物理力學(xué)性能直接影響著木材的彎曲性能。楊木素材，浸泡至40%含水率的楊木素材以及含水率為40%、110°C氣蒸處理楊木的物理力學(xué)性能測試結(jié)果見表1.

表1 楊木素材與處理材的物理力學(xué)性能Table1 Physical-mechanical performance of natural wood and bending wood，respectively

由表1可得，木材經(jīng)浸水和汽蒸處理后，其絕干密度和氣干密度都有所增加，但增量不大，引起這種現(xiàn)象的原因是由于木材的吸濕滯后現(xiàn)象所引起的。而40%含水率的楊木經(jīng)汽蒸處理后，其含水率有所減小，但波動不大，都接近于40%，這是由于木材的汽蒸處理過程中水分的運動導(dǎo)致的差異。通過吸濕厚度膨脹率可得，楊木浸水到含水量為40%時，木材的吸水厚度膨脹率與汽蒸處理木材的相接近，但均大于素材，這結(jié)果符合木材的吸濕滯后現(xiàn)象。由最大載荷、靜曲強(qiáng)度和彈性模量測試結(jié)果可得，40%含水量、110°C汽蒸處理楊木的最大載荷、靜曲強(qiáng)度和彈性模量較楊木素材分別減小45.35%、42.40%和56.%；較含水率為40%、未蒸汽處理的木材，其最大載荷、靜曲強(qiáng)度和彈性模量分別減小6.6%、9.87%和13.6%。這是由于木材中的水分含量與蒸汽處理的協(xié)同作用使木材的力學(xué)性能降低，促進(jìn)木材的彎曲。由木材的最大變形量可知，蒸汽處理楊木的變形量明顯比楊木素材好，其最大變形量較素材增加了196.85%，較含水率為40%、未蒸汽處理的木材，其最大變形量比楊木素材高61.09%。結(jié)果表明楊木素材隨著含水率的增加，力學(xué)性能降低，有利用木材彎曲；水熱處理木材的力學(xué)性能繼續(xù)降低，使得木材的彎曲性能更好。

2.2 楊木微觀特征

考慮了水熱彎曲木細(xì)觀結(jié)構(gòu)存在的缺陷，對未處理楊木的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察以供比較。楊木素材的微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖可得，楊木的微觀結(jié)構(gòu)特征如表2所示。

圖3 楊木素材的微形貌Figure 3 Microscopic morphology of the curved side of natural wood

表2 楊木的微觀結(jié)構(gòu)特征Table1 Microscopic performance of natural wood

2.3 彎曲楊木微觀特征

2.3.1 彎曲楊木受拉側(cè)的微觀形貌

圖4a為彎曲楊木受拉側(cè)的橫切面微觀形貌，由圖可得木材橫切面上的導(dǎo)管及徑列復(fù)管孔結(jié)構(gòu)基本上沒有損傷，但均發(fā)生變形，年輪界限幾乎沒有變化，這是由于木材在受力的情況下，木材彎曲導(dǎo)致其導(dǎo)管在平面內(nèi)發(fā)生形狀變形。圖4b為彎曲楊木受拉側(cè)徑切面的微觀形貌，由圖可得纖維壁和導(dǎo)管壁上有微小的裂紋和輕度的損傷（圖4e），這可能是由于木材中木纖維在木材彎曲后受擠壓剪切而的細(xì)胞分離現(xiàn)象和細(xì)胞之間出現(xiàn)的撕裂現(xiàn)象；以及原有的微裂紋的萌生與擴(kuò)展延伸。但導(dǎo)管出現(xiàn)彎曲變形，變形處的紋孔被拉長，其他保持原有形狀，沒有出現(xiàn)紋孔開裂和破損，導(dǎo)管射線間紋孔未見開裂與破損（圖4d），說明導(dǎo)管壁上的紋孔有利于導(dǎo)管彎曲變形。圖4c為彎曲楊木受拉側(cè)弦切面的微觀形貌，如圖可得木射線形狀完好，沒有受到破環(huán)，說明彎曲變形對木射線影響不大。

圖4 彎曲楊木受拉側(cè)的微觀形貌Figure 4 Microscopic morphology of the curved side of bending wood

2.3.2 彎曲楊木受壓側(cè)的微觀形貌

圖5a為彎曲楊木受壓側(cè)的橫切面微觀形貌，由圖可得木材橫切面上的導(dǎo)管沒有損傷，但均發(fā)生屈曲變形；圖4b為彎曲楊木受壓側(cè)徑切面的微觀形貌，由圖可得纖維壁和導(dǎo)管壁上有明顯的屈曲和部分隆起（圖4d），沒有觀察到組織塌陷，并且排列整齊。由于木材中木纖維在木材彎曲后受擠壓而引起加厚和隆起現(xiàn)象（圖4e），以及原有的微裂紋的萌生與擴(kuò)展延伸。導(dǎo)管射線間紋孔未見開裂與破損，說明導(dǎo)管壁上的紋孔有利于導(dǎo)管彎曲變形。圖4c為彎曲楊木受壓側(cè)弦切面的微觀形貌，如圖可得纖維有微小破裂，但木射線形狀完好，沒有受到，說明彎曲變形對木射線影響不大。

圖5 彎曲楊木受壓側(cè)的微觀形貌Figure 5 Microscopic morphology of the pressed side of bending wood

3 結(jié)論

通過水熱模壓彎曲的方法得彎曲到楊木，通過其物理力學(xué)研究表明楊木在110°C水熱處理之后，其物理力學(xué)性能最好，其次是60%水浸泡木材，楊木素材最好。但壓彎性能水熱處理是最好，其彎曲變形量較素材楊木增加了196.85%，較60%含水率楊木素材高61.09%。筆者確定水熱處理楊木材的彎曲性能后對其顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，在所有的微觀形貌圖中，導(dǎo)管分子均發(fā)生形狀上的變形，但氣導(dǎo)管壁上的紋孔菌沒有出現(xiàn)損傷、開裂。但受壓測的紋孔和纖維壁被壓縮，且有不同程度的變形隆起與皺曲；而受拉側(cè)木纖維細(xì)胞壁內(nèi)壁出現(xiàn)局部開裂或破損或含微小破裂損傷；在有損傷的部位都是沿著紋孔口或者纖維主軸方向上開裂。木射線形狀完好，沒有受到破壞與開裂，表明木材彎曲變形對木射線的影響不大。通過分析木材彎曲過程中，胞壁損傷破壞的發(fā)生機(jī)理，微裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致的破壞以及微裂紋延伸，從根本上揭示木材破壞的細(xì)觀損傷機(jī)理。從而需要進(jìn)一步的研究不同的改良方法對木材彎曲微觀結(jié)構(gòu)損傷的影響，以改善和優(yōu)化實木彎曲工藝。